Tema 2. Estrcutura i replicació del material genètic (2014)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Microbiología - 1º curso
Asignatura Genética
Año del apunte 2014
Páginas 8
Fecha de subida 15/03/2015
Descargas 32
Subido por

Vista previa del texto

ESTRUCTURA DEL MATERIAL GENÈTIC 1. CARACTERÍSTIQUES DEL MATERIAL GENÈTIC El material genètic ha de ser capaç de replicar-se sense gairebé errors. De forma que totes les cèl·lules de l’organisme tenen la mateixa composició genètica.
El material genètic conté la informació que s’expressarà; i ha de ser capaç de canviar i mutar, però mantenint una certa estabilitat.
2. DNA: MATERIAL GENÈTIC El coneixement que es tenien del material genètic abans del descobriment de la seva estructura van ser: - Gens: factors hereditaris  Mendel - Es suposava que 1 gen > 1 proteïna - Els gens es trobaven en els cromosomes i podien ser visibles qual els nucli es dividia.
- Els cromosomes estaven formats per proteïnes i DNA.
- Més endavant van concluir que el material genètic és el DNA.
La identificació del DNA com a material genètic parteix de l’estudi de Griffith (1928). Aquest identifica el factor transformat de la bactèria Streptococcus pneumoniae.
Aquestes es van extreure de la pneumònia humana i es cultivar al laboratori. Les S eren virulentes i produïen la mort, en canvi les R no (es diferencien per si són llises o rugoses). Va fer diferents experiments: 1. Va destruir l’estructures de les bacteris S per calor i les va implantar en ratolins, els quals no van morir.
2. Va barrejar bacteris R (no virulentes) i bacteris S trencants, i els dos junts van provocar la mort en els ratolins. D’aquests ens podien extreure bacteris virulentes intactes.
Van determinar que això va passar per transformació. Aquest element transformant havia de ser el que portaven la informació.
Posteriorment, Colin MacLeod, Maclyn McCarty i Oswald Avery van proposar-se determinar l’element transformant.
Van agafar les bactèries S trencades i van fer diferents experiment.
1. S trencades + R intacta = mort 2. S trencades (+ polisacàrids trencats) + R intactes = mort 3. S trencades (+ lípids trencats) + R intactes = mort 4. S trencades (+ RNA trencat) + R intactes = mort 5. S trencades (+ proteïnes trencades) + R intactes = mort 6. S trencades (+ DNA destruït) + R intactes = NO MORT 1 Únicament desapareix l’element transformant si destruïm el DNA. D’aquesta forma es determina que el DNA permet la transformació de bacteris no virulentes a virulentes.
1944: El material genètic està composat per DNA.
3. COMPONENTS DNA Els components del àcids nucleics, les quals formen el DNA, són: - Base nitrogenada  Purines: Adenina, Guanina  Pirimidines: Citosina, Timina, Uracil (RNA) - Sucre  RNA: ribosa  DNA: desoxiribosa - Fosfat Els nucleòtids formaran una cadena. Aquesta té polaritat, comença per fosfat  5’. Acaba amb 3’ piroxil.
3.1. REGLAS DE CHARGAFF Van estudiar la composició dels nucleòtids en molècules de DNA en diferents espècies. Van observar que la quantitat de A era igual a la de T, la quantitat de G és igual a la de C. De forma que van establir la regla: A+G=T+C És a dir, que: Proporció de purines = proporció de pirimidines 4. ESTRUCTURA MATERIAL GENÈTIC Determinat per J. Watson i F. Crick, els quals van basar-se en dues evidencies: - Regles de Chargaff - Fotografies de difracció de raig X  per Rosalind E. Franklin.
Els dos científics van concloure que l’estructura del DNA és de doble hèlix, formada per cadenes orientades en direccions oposades (antiparal·leles). La estructura es manté per enllaços de ponts d’H entre les bases nitrogenades que es troben orientades al interior de les cadenes.
Els ponts d’H s’estableixen sempre entre C i G, A i T. Cosa que dóna reso a la regla de Chargaff. Això es possible només si parlem d’una doble hèlix.
4.1. FORMES DEL DNA La forma típica del DNA és la forma B. Però també es poden trobar DNA amb forma A i Z.
- Forma A: més compacta. La volta d’hèlix mesura 28A enfront els 34 dels la forma B.
- Forma Z: és una hèlix que gira cada a l’esquerra. Es veu associada a regions amb alt contingut en Adeninescitosines.
2 4.2. CONCEPTE DE MOTLLE El concepte del motlle sorgeix de la complementarietat que hi ha entre les dues cadenes de DNA. Coneixen la seqüència de nucleòtids d’una cadena és pot deduir la seqüència de nucleòtids de la seva complementaria i la seva orientació.
És un concepte essencial per establir la funcionalitat del DNA fent el paper de motlle. A partir d’ella es podrà genera una nova cadena, ja que sempre s’ha d’establir complementarietat.
5. ORGANITZACIÓ DEL MATERIAL GENÈTIC Si es mesura el tamany del genoma d’un bacteri mesura uns 1100µm, en canvi la mesura de la cèl·lula bacteriana és de 1-2µm. Això suggereix que el DNA s’ha d’organitzar i compactar per poden estar dins la cèl·lula.
En eucariotes, el material genètic també s’ha d’organitzar.
La compactació màxima del material genètic es dona en el moment de la divisió, i es tracta dels cromosomes. Els cromosomes és una molècula de DNA lineal.
La cromatina és una associació de DNA i proteïnes que permeten la compactació del DNA. El grau de compactació que s’adquireix en humans és de 7.000 vegades. Ja que un cromosomes de 14000µm passa a formar un cromosoma en metafase de 2µm.
5.1. FORMACIÓ DE LA CROMATINA Fibra 10nm: la molècula del DNA té una amplada de 2nm i passa a 10nm per la interacció del DNA amb les histones (H1, H2A, H2B, H3 i H4). S’estructuren en octàmer de forma globular. La part central esta formada per H2A, H2B, H3 i H4; i l’H1 es troba al exterior aguantant l’estructura.
Aquesta estructura s’anomena nucleosoma.
Fibra de 30nm: consisteix en el plegament de la fibra de 10nm. El plegament es basa en la formació de solenoides, que es tracta d’una volta formada per 6 nucleosomes.
Fibra de 300nm: es formen llaços de la fibra de 30nm.
Fibra de 600-700nm: la fibra de 300nm es va enrotllant en forma de motlle. Aquesta fibra forma una cromàtide del cromosoma.
5.2. TIPUS DE CROMATINA La cromatina en interfase, depenen de la seva compactació es pot classificar com: - Eucromatina: regions menys compactades, de forma que poden ser transcrites. Hi ha un baix nivell de metilació i una alta concentració de gens.
- Heterocromatina: regions més compactes que no es poden transcriure. Hi ha un alt nivell de metilació i un baix nivell de gens.
o Constitutiva: regions del genoma que sempre tenen l’estructura compactada.
No contenen gens i no es transcriuen mai. Tenen funció estructural i són necessaris per la transcripció del material genètic. Ex: centròmer, telòmers.
3 o Facultativa: regions que poden optar ocasionalment a descompactar-se, passant a ser eucromatina, i així transcriure. Ex: cromosomes X de les femelles mamífers.
6. CROMOSOMA METAFÀSIC El cromosomes metafàsic són la màxima concentració del DNA durant el seu cicle de vida.
Cada cromosoma esta format per dues cromàtides (molècula de DNA: 2 = còpia). Hi ha dues regions particular del cromosoma: - Telòmers: estructura que es troba als extrems de les cromàtides. És necessari per mantenir la integritat de la molècula de DNA, és a dir, protegir-lo. Evita l’escurssament dels cromosomes durant la replicació del DNA.
- Centròmer: regió que uneix les dues cromàtides germanes. Permet la separació de les cromàtides durant la divisió.
Hi ha diferents cromosomes segons la forma del seus braços i la posició del centròmer.
- Metacèntric: mateix llargada dels braços.
- Submetacèntric: un braça més llarg que l’altre.
- Acrocèntric: un braç és molt petit i l’altre manté el tamnya normal.
- Telocèntric: només existeic un braç.
Els braços s’anomenen p i q, sent el sempre primer els més curt.
Un cariotip és l’estudi del genoma humà a partir del cromosomes. També hi ha altres forma de realitzar aquests estudis, com per exemple el “Pintat dels cromosomes”, on cada cromosoma té un color propi.
4 REPLICACIÓ DEL DNA 1. MODELS DE REPLICACIÓ Replicació dispersiva: les dues molècules que es formen després de la replicació són una barreja de la cadena antiga i la nova, sense seguir cap patró.
Replicació conservativa: fa referència a un procés de replicació on la molècula antiga es queda com a tal i es genera una molècula nova de DNA.
Replicació semiconservativa: cada una de les cadenes del DNA farà de motlle per la síntesi d’una nova cada. Es tracta d’un híbrid de la cadena nova i la antiga.
2. REPLICACIÓ DEL DNA S’ha demostrat que la replicació és semiconservativa, mitjançant l’experiment de M. Melson i F. Stahl (1985)  marcant el DNA (per distingir cadenes noves de antigues) es podrà suposar el tipus de replicació que funciona.
El tipus de marcatge ens pot resoldre quin tipus de replicació en una ronda o varies.
En bacteris comença la síntesi a partir d’un sol punt (origen de replicació) i avança en les dues direcció. Aquestes forquilles que es creen avancen en la mateixa direcció i s’acaben trobant en el punt oposat de l’origen al mateix temps.
En el eucariotes la síntesi comença en diferents punts de la molècula lineal. Es creen les dues forquilles de replicació i avancen en direccions oposades per replicar. L’avanç es dóna fins que es troben dues forquilles de replicació.
2.1. CARACTERÍSTIQUES GENERALS La replicació es dóna per les DNA polimerases i aquestes només sintetitzen de 5’–3’. D’aquesta manera, es sinteritza de manera continua la cadena de 3’–5’ (leading).
La cadena antiparal·lela (lagging) es sintetitza de 5’—3’ igualment. Es produeix una replicació discontinua, on es formen fragments de la cadena nova  fragments Okazaki (1500bp en procariotes i 150bp en eucariotes) La replicació comença si a la cadena 3’ hi ha un hidroxil (3’-OH). Aquest s’ha de generar mitjançant la síntesi d’un encebador, el qual proporciona aquest extrem hidroxil.
Encebador: fragment petit de RNA de 2-60 nucleòtids.
5 Els fragment que es sintetitzen de forma discontinua, a cada fragment és necessari un encebador.
Al llarg de la replicació hi ha s’elimina d’aquest i es sintetitza DNA per substituir-lo. També es produeix, per tant, un procés de lligació del DNA per ligases i enllaços fosfodièsters.
2.2. DNA POLIMERASESA 2.2.1. En bacteris DNA polimerasa III duu a terme tota l’elongació del DNA. Afegeix bases en ambdues cadenes en la direcció 5’–3’.
DNA polimerasa I té funció d’exonulceació de 5’ a 3’ de forma que pot eliminar l’encebador.
Aquest fragment que ha eliminat el substitueix per DNA.
De 3’-5’ tenen activitat de exonucleació, és a dir, que elimina nucleòtids si hi ha error a la nova cadena. Alhora que estan polimeritzant són capaces de detectar si s’ha produït algun error, aleshores tornen enrere i el reparen.
La freqüència d’error seria de 10-5, en contra de ser 10-7. Hi ha altres mecanismes addicionals que permeten que la freqüència sigui de 10-10.
2.2.2. En eucariotes DNA polimerasa α (alpha): sintetitza l’encebador. Té activitat 5’-3’, però no al contrari (no pot corregir errors).
DNA polimerasa δ (delta): duu a terme l’elongació del DNA.
DNA polimerasa ɣ (gamma): s’encarrega de la replicació del DNA dels mitocondris.
2.3. EXEMPLE SÍNTESI DELS DNA EN BACTERIS *Primasa: RNA polimerasa que actua en la síntesi de DNA bacterià.
2.3. PROCESSOS DE REPLICACIÓ Complexa replisoma: complexa enzimàtic que permet la síntesi de les dues cadenes del DNA en una forquilla de replicació. Format per: 6 - - - - Dímer de DNA polimerasa III: un per síntesi continua i l’altre per discontinua.
S’aconsegueix que vaguin al mateix temps perquè la cadena que fa motlle per la síntesi discontinua es plega en forma de bucle.
Primosa: format pels enzims:  Helicasa: trenca els ponts d’H que uneixen les dues cadena de DNA que es sintetitzaran (la mare).
 Primasa: sintetitzen els encebadors. *En eucariotes la primasa que actua és la DNA polimerasa α.
Proteïnes d’unió a cadena senzilla (SSBP): s’uneixen en forma de polímer continu a la cadena sintetitzada de manera discontinua fins que es pugui unir a la seva antiparal·lela.
Topoisomerases: trenquen les cadenes perquè aquestes puguin girar lliurament i així es puguin separar. Introdueixen canvis a la doble hèlix.
*Exonucleases: actuen en un extrem lliure a partir del qual fan la seva feina.
Endonucleases: actuen quan no hi ha un extrem lliure.
3. ORIGEN DE LA REPLICACIÓ I FINALITZACIÓ 3.1. EN BACTERIS En bactèries només hi ha 1 origen, anomenat OriC. Esta format per 245 pb.
Hi ha una proteïna, DNA-A, la qual reconeix la regió i permet que comenci la síntesi.
La finalització de la replicació es produeix a les regions del TerC, on les forquilles de replicació no poden avançar més. Els dos cromosomes quedaran separats, de forma que s’hauran d’unir mitjançant topoisomerases.
3.2. EN EUCARIOTES En eucariotes hi ha varis orígens de replicació que no tenen perquè activar-se alhora. Aquests es posen en funcionament al llarg de la fase S.
La forquilles de replicació acaben quan convergeixen dues d’aquestes.
La finalització planteja problemes als extrems del cromosomes lineals que s’estan replicant. Ja que a l’extrem hi ha un encebador de la cadena que es sintetitza de manera discontinua.
Aquest encebador es pot elimina, però la DNA polimerasa no pot actuar per substituir-lo.
Totes les molècules acaben amb una regió de 3’, amb falta d’extrem 5’. Per evitar que els fragments dels cromosomes es vaguin escurçant cada cop més, és produeix un allargament del telòmer.
*Els telòmers són heterocromatines constitutives (no té gens, no s’expressa). Consisteixen en una seqüència repetida de 6-8 pb, aquesta es compactarà al màxim i segellarà l’extrem del cromosoma.
L’allargament de l’extrem del cromosoma es dut a terme per la telomerasa. Garanteix que la longitud del cromosoma sigui constant al llarg del temps.
La telomerasa és una riboproteïna, té RNA i capacitat polimerasa. Aquesta és complementaria a la repetició del telòmer, de forma que s’associa a la seqüència del 7 cromosoma. La RNA farà de motlle i sintetitzarà DNA a l’extrem 3’. Quan aquest extrem ja es llarg, és torna a fer síntesi discontinua.
Després es torna a eliminar l’encebador, de forma que queda un resultat igual que l’anterior a tot aquest procés, però com que s’ha allargat el cromosoma, ja no perdem informació.
4. MALALTIES RELACIONADES AMB LA REPLICACIÓ Hi ha malalties molt greus si els telòmers no tenen un correcte funcionament. Si aquest no actuen correctament, els cromosomes s’aniran reduint de mida. Aquest fet provoca, per exemple un envelliment prematur, com al síndrome de Werner.
També es relaciona el càncer amb l’activitat del telòmer.
En les cèl·lules germinals, hi ha activitat telomerasa.
En les cèl·lules somàtiques, no hi ha activitat telomersa.
Si les cèl·lules somàtiques es comencen a dividir de forma descontrolada (càncer), un dels canvis que ha provocat la situació és que apareix l’activitat telomerasa. Això es indicia que l’activitat telomersa és necessari per la divisió continua de cèl·lules.
8 ...